ES2287031T3 - Procedimiento y aparatos de congelacion rapida. - Google Patents

Abstract

Un procedimiento de congelación super-rápida que comprende: una etapa de congelación rápida de refrigeración de la temperatura circundante de un objeto a congelar a -30ºC a -100ºC mientras se aplica un campo magnético unidireccional a dicho objeto a congelar; y una etapa de refrigeración de dicho objeto a congelar con un viento frío que tiene una velocidad de 1 a 5 m/s mientras se superpone una onda de sonido dentro del intervalo de la audio-frecuencia sobre dicho viento frío.

Description

Procedimiento y aparato de congelación rápida.

Campo técnico de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento de congelación super-rápida y a un aparato que puede conservar el frescor de los ingredientes alimentarios y productos alimentarios y que permite el almacenamiento a largo plazo de los mismos, y que puede conservar y almacenar también células vivas.

Técnica antecedente

Convencionalmente, se han desarrollado diversos procedimientos de congelación y aparatos de congelación como un medio para almacenar ingredientes alimentarios y productos alimentarios mientras se conserva su frescor durante un largo periodo de tiempo. Sin embargo, al congelar alimentos perecederos tales como productos de pesca, no era posible evitar totalmente (1) la emisión de un olor muy desagradable después de congelar y descongelar, (2) la decoloración, (3) el deterioro del sabor, y (4) el goteo (derrame de jugo después de descongelar). Los puntos (1) a (3) son el resultado de la putrefacción de los ingredientes alimentarios provocada por bacterias que aumentan en número y la oxidación de los ingredientes alimentarios. El goteo, como en el punto (4), ocurre debido al largo periodo de tiempo necesario para la congelación. Es decir, los cristales de hielo, que se forman congelando el agua libre que existe en un objeto a congelar tal como los ingredientes alimentarios y productos alimentarios, se hacen demasiado grandes y voluminosos, y provocan daño en la estructura celular. (El agua libre es el agua que no está condicionada por proteínas o similares y que puede moverse libremente). En otras palabras, esto ocurre porque lleva mucho tiempo pasar a través de un intervalo de temperatura de 0ºC a -20ºC, que es el intervalo de temperatura en el que empieza y termina la solidificación, y los cristales de hielo se hacen demasiado grandes y voluminosos.

Como un procedimiento para evitar estos problemas, una técnica de congelación, como se describe en la Publicación de Patente Japonesa expuesta al público Nº 10-179105, se ha propuesto recientemente. El documento JP 10300251 describe un congelador en el que se aplica un campo magnético.

En la técnica de congelación propuesta anteriormente, la congelación se realiza sumergiendo directamente un objeto a congelar en un refrigerante líquido, o pulverizando un refrigerante líquido sobre el objeto, para acelerar la velocidad de enfriamiento. Esto impide a los cristales de hielo crecer durante la congelación, y evita la destrucción de la estructura celular. Además, aplicando una energía electromagnética (rayos del infrarrojo lejano, específicamente) al objeto a congelar, se reduce el tamaño de las agrupaciones de agua. (Esto se denominará posteriormente en este documento como "agrupaciones pequeñas"). Estas agrupaciones pequeñas pueden penetrar fácilmente en el objeto a congelar. Debido al efecto de aumento de restricción de bacterias de las agrupaciones pequeñas, el número de bacterias vivas dentro del objeto a congelar puede limitarse, dando como resultado una mejora de la calidad.

Sin embargo, en el procedimiento propuesto anteriormente, como se usa metanol, etanol, acetona o materiales similares como refrigerantes líquidos, en muchos casos no es posible sumergir directamente el objeto a congelar. Para evitar el contacto directo del refrigerante líquido con el objeto a congelar, es necesario proporcionar un procedimiento de pre-congelación para envasar el objeto en un recipiente o envase similar. Cuando se congela por inmersión directa, será necesario proporcionar también un procedimiento de post-tratamiento de limpieza y retirada del refrigerante líquido fuera de la superficie del objeto después de descongelarlo. Los procedimientos anteriores no son convenientes, y llevarán una cierta cantidad de tiempo, durante el cual puede ocurrir el deterioro del frescor.

Adicionalmente, en el procedimiento de congelación anterior, la refrigeración y congelación se ocasiona mediante la transmisión de calor provocada por el contacto con el refrigerante líquido y, de esta manera, el frío se transmite desde la superficie externa hacia el interior. Por lo tanto, la congelación empieza desde la superficie externa del objeto a congelar, y transcurre gradualmente hacia el interior. En otras palabras, se forma en primer lugar una capa congelada sobre la superficie externa, y progresa hacia el interior. Durante este procedimiento, el frío pasa a través de la capa congelada externa formada inicialmente, y se transmite después hacia el interior, de manera que la transmisión es inhibida en gran medida por la capa congelada. De esta manera, se tarda un tiempo considerablemente largo hasta que se completa la congelación, especialmente en el núcleo interno, haciendo difícil evitar completamente la destrucción de la estructura celular.

Además, cuando se usa depósito de congelación en el campo del transplante biomédico, la destrucción de la estructura celular y la extensión en el tiempo de operación resulta mortal y, de esta manera, el procedimiento de congelación propuesto anteriormente no puede adoptarse.

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Sumario de la invención

La presente invención resuelve los problemas mencionados anteriormente, y su objeto es proporcionar un procedimiento de congelación super-rápida y un aparato que permite la congelación uniforme, rápida e instantánea de un objeto a congelar, en el que no existe necesidad de procedimientos de tratamiento previos/posteriores y no hay diferencia entre la temperatura interna y externa dentro del objeto, permitiendo el almacenamiento a largo plazo mientras mantiene el frescor de los ingredientes alimentarios y productos alimentarios en un alto grado, y permitiendo también el almacenamiento por congelación y la conservación de células vivas.

Para conseguir el objeto anterior, el procedimiento de congelación super-rápida de acuerdo con un aspecto de la presente invención comprende una etapa de congelación rápida de refrigeración de la temperatura circundante de un objeto a congelar de -30ºC a -100ºC mientras se aplica un campo magnético unidireccional al objeto a congelar.

De acuerdo con esta estructura, se aplica un campo magnético unidireccional al objeto a congelar durante la congelación rápida del objeto, por ejemplo, en un depósito de congelación. De esta manera, este campo magnético hace posible dirigir el momento magnético, que está provocado por el espín electrónico o el espín nuclear de las moléculas que constituyen el objeto a congelar y de las moléculas de agua libre contenidas en su interior, en una dirección. De esta manera el frío puede transmitirse a la parte interna del objeto a congelar muy rápido. Es decir, la diferencia entre la temperatura interna y externa dentro del objeto a congelar que ocurre durante la refrigeración, es decir, la irregularidad en la refrigeración puede disminuirse considerablemente para llevar a cabo una refrigeración rápida. Por lo tanto, la congelación ocurre minuciosamente de una manera uniforme y simultánea, y no empieza desde la superficie externa. También, como la congelación no empieza desde la superficie externa del objeto a congelar, no se forma una capa congelada externa que inhibiría la transmisión de calor, y de esta manera, es posible realizar una transmisión de frío eficaz a la parte interna del objeto. Esto da como resultado una considerable aceleración en la velocidad de refrigeración de la parte interna del objeto. Por lo tanto, el periodo de tiempo en el que se inicia y termina la congelación puede reducirse a un tiempo extremadamente corto por todo el objeto a congelar.

Además, como la refrigeración se realiza mientras se aplica un campo magnético al objeto a congelar, el agua libre dentro del objeto a congelar puede llevarse a un estado super-refrigerado. (En este documento, como se describirá más adelante, como las agrupaciones de agua libre se hacen pequeñas por el campo magnético y la estructura de hidratación se forma por promoción de la reacción de hidratación de las agrupaciones al sustrato de los alimentos, la cantidad de agua libre dentro del objeto a congelar se reduce, y se promueve adicionalmente la super-refrigeración). Una refrigeración adicional provocará que el agua libre super-refrigerada empiece a congelarse, pero como una cantidad de calor equivalente al calor latente para la formación de hielo ya se ha restado, la congelación transcurrirá rápidamente y, por consiguiente, el periodo de tiempo en el que se inicia y termina la congelación puede reducirse hasta un tiempo extremadamente corto.

Como resultado, los dos efectos anteriores hacen posible pasar a través del intervalo de temperatura de 0 a -20ºC, en el que los cristales de hielo son capaces de crecer durante la congelación, en un tiempo extremadamente corto. Por lo tanto, se impide que los cristales de hielo del agua libre crezcan demasiado, y se forman cristales de hielo finos. De esta manera, como los cristales de hielo son extremadamente pequeños, es posible evitar la destrucción de la estructura celular del objeto a congelar durante la congelación, se impide que ocurra goteo después de descongelar, y conserva el frescor en un alto grado.

A continuación se explicará porqué se ocasiona un estado super-refrigerado por la aplicación de un campo magnético, y por qué el tiempo global en el que se inicia y termina la congelación puede reducirse a un tiempo extremadamente corto.

Las actividades térmicas de las moléculas del objeto a congelar y de las moléculas de agua libre que existen dentro del objeto a congelar se debilitan cuando se enfría, y de esta manera, la temperatura del objeto a congelar disminuye. (Como las actividades térmicas principales son la vibración por estiramiento y la vibración por deformación de los enlaces entre los átomos que constituyen las moléculas, y las vibraciones térmicas provocadas por las actividades térmicas moleculares tales como los movimientos de traslación y rotación de las moléculas, las actividades se definirán posteriormente en este documento como vibraciones térmicas). Según la temperatura cambia en un bajo intervalo de temperatura por debajo de 0ºC, las vibraciones térmicas se hacen más pequeñas. Sin embargo, debido a la precesión del espín electrónico o el espín nuclear, la vibración térmica provocada por el espín electrónico o el espín nuclear se hace dominante, y se evita que se reduzcan las vibraciones térmicas provocadas por las actividades térmicas moleculares. También, los movimientos orbitales de los electrones que contribuyen a los enlaces inter-atómicos tienen un movimiento de precesión también, y hay que considerar también la influencia provocada por dicho movimiento. Generalmente, estas influencias se cancelan mutuamente mediante el espín de electrones apareados o espines nucleares, y de esta manera, dicho movimiento tiene poca influencia sobre la vibración térmica. Por lo tanto, como la vibración se mantiene pequeña, la posición de las moléculas de agua libre se fija de acuerdo con el enlace de hidrógeno, y se forman cristales de hielo. En otras palabras, se inicia la congelación.

Sin embargo, cuando se aplica un campo magnético, como el momento magnético del espín electrónico o el espín nuclear se alinea en una dirección, es fácil unificar la dirección del eje de precesión del espín electrónico o el espín nuclear. De esta manera, la influencia del espín electrónico o el espín nuclear sobre la vibración térmica no puede cancelarse mutuamente, y la vibración térmica se fortalece y aumenta mediante el espín electrónico o el espín nuclear. Por lo tanto, incluso cuando se hace bajar la temperatura en una extensión a la que generalmente se inicia la congelación, la vibración del enlace de hidrógeno que funciona entre las moléculas de agua de las moléculas de agua libre es aún demasiado grande para fijar el enlace de hidrógeno y convertirla en hielo, y en lugar de ello el agua libre se lleva a un estado super-refrigerado. Es decir, incluso aunque ya se haya restado una cantidad de calor equivalente al calor latente necesario para la solidificación, el agua no puede convertirse en hielo y permanece en una forma de agua inestable. Cuando la temperatura se enfría más en una extensión en la que la vibración se hace más pequeña de un cierto nivel o, cuando el campo magnético se retira y la influencia del espín electrónico o el espín nuclear sobre la vibración térmica se cancela mutuamente para hacer disminuir repentinamente el nivel de la vibración, que había estado evitando que ocurriera la congelación, por debajo de un cierto nivel, la posición de las moléculas se fija de acuerdo con el enlace de hidrógeno, y la congelación progresa inmediatamente. Por lo tanto, el periodo de tiempo en el que se inicia y termina la congelación se reduce a un tiempo extremadamente corto.

Se considera que, de acuerdo con el mecanismo anterior, es posible ocasionar un estado super-refrigerado aplicando un campo magnético, y acortar extremadamente el periodo de tiempo en el que se inicia y termina la congelación.

Además, en general, las agrupaciones de agua forman enlaces de hidrógeno con grupos polares que se orientan hacia fuera de la superficie externa de una estructura terciaria que es la unidad más pequeña de las proteínas o hidratos de carbono que constituyen el objeto a congelar, y las agrupaciones se convierten en agua unida. (Una estructura terciaria es una estructura sustancialmente esférica formada enrollando una estructura primaria, es decir, un polímero de condensación formado uniendo diversos aminoácidos linealmente). Sin embargo, la aplicación de un campo magnético provoca que las agrupaciones de agua, que son agregados de moléculas de agua libre, se dividan en grupos más pequeños. (Estos se denominan posteriormente en este documento agrupaciones pequeñas). De esta manera, las agrupaciones pequeñas se unen de forma compacta y uniforme a la superficie externa de las estructuras terciarias para formar una capa cuasi-monomolecular de agua unida y cubrir la superficie como una envoltura. Es decir, las agrupaciones pequeñas se unen a toda la superficie externa de una manera tal como una capa monomolecular uniforme para formar una envoltura de agua unida. Además, sobre esta capa monomolecular, es decir, la primera capa de agua unida, las moléculas de agua están unidas por fuerzas intermoleculares, y se forma una estructura de hidratación de una segunda capa y se forma una tercera capa. Por lo tanto, esta estructura de hidratación formada por la envoltura de agua unida evita que las estructuras terciarias, es decir, el objeto a congelar, se oxiden, y el frescor puede conservase en un alto grado.

Como el agua unida está sujeta fuertemente a las estructuras terciarias, el punto de congelación del agua unida disminuye para estar en el intervalo de -10 a -100ºC. De esta manera, en general, el agua unida es agua que no se congela. Formando agrupaciones pequeñas, el agua libre se une totalmente a la superficie externa de la estructura terciaria, y de esta manera, el agua libre se convierte en agua unida. Por lo tanto, la cantidad absoluta de agua libre se reduce, y es posible impedir indirectamente que los cristales de agua libre crezcan demasiado.

Además, como la temperatura circundante se ajusta en el intervalo de -30 a -100ºC, es posible impedir ventajosamente que ocurra la oxidación sobre la superficie del objeto a congelar mientras se evita una refrigeración excesiva. Si la temperatura está por encima de -30ºC, el progreso de la oxidación no puede evitarse incluso si el objeto está en un estado congelado; si se enfría por debajo de -100ºC, el coste de realización necesario para el ciclo de refrigeración sólo aumentará ya que el progreso de la oxidación no se retrasará más, lo que lo haría no económico.

En el procedimiento de congelación super-rápida de acuerdo con un aspecto de la presente invención, la intensidad del campo magnético unidireccional puede fluctuar alrededor de un valor de referencia fijado arbitrariamente en ambas direcciones positiva y negativa dentro de un intervalo predeterminado. De acuerdo con esta configuración, como el campo magnético fluctúa durante la congelación rápida del objeto a congelar, será posible reducir la reacción contra la acción del campo magnético estático, es decir reducir el efecto contrario al campo estático, y permitir que los efectos provocados por la aplicación del campo magnético funcionen eficazmente.

Adicionalmente, como el campo magnético fluctúa, el flujo magnético cambia y ocurre una inducción electromagnética dentro del objeto a congelar. De esta manera, la fuerza electromotriz inducida provocada por la inducción electromagnética genera electrones libres dentro del objeto. El propio objeto a congelar es reducido por estos electrones libres y se evita su oxidación. Como para las moléculas de agua y moléculas de oxígeno dentro del depósito de congelación, se les dan los electrones libres, y éstas se convierten a su vez en agua transmitida por electrones (H_{2}Oe) y anión superóxido (O_{2}^{-}). El agua transmitida por electrones y el anión superóxido producen radicales tales como radicales hidroxi (especies de oxígeno activo \cdotOH), y la membrana celular de microbios tales como bacteria puede ser destruida por estos radicales hidroxi. Por lo tanto, es posible limitar el número de bacterias vivas.

Además, en el procedimiento de congelación super-rápida de acuerdo con un aspecto de la presente invención, la refrigeración del objeto a congelar puede provocarse mediante un viento frío que tiene una velocidad de 1 m/s a 5 m/s, y una onda de sonido dentro del intervalo de la audio-frecuencia puede superponerse sobre el viento frío. De acuerdo con esta configuración, como las ondas de sonido se superponen sobre el viento frío que entra en contacto con el objeto a congelar, el ligero cambio en la presión del aire provocado por las ondas de sonido puede provocar eficazmente que se forme una capa límite de aire alrededor de la superficie del objeto a congelar o la superficie de un recipiente sobre el que se pone el objeto a congelar y que inhibe la transmisión de calor. Por lo tanto, la transmisión de calor se mejora y la velocidad de refrigeración del objeto a congelar provocada por el aire frío se acelera, permitiendo de esta manera que la temperatura caiga rápidamente. Como resultado, el intervalo de temperatura de 0 a -20ºC, en el que los cristales de hielo de agua libre se hacen voluminosos, se pasa en un tiempo corto. Por lo tanto, puede impedirse que los cristales de hielo crezcan demasiado.

Además, debido al uso de ondas de sonido en el intervalo de la audio-frecuencia, es posible evitar la oxidación de la superficie del objeto a congelar sin provocar la destrucción de la envoltura de agua unida formada sobre la superficie del objeto a congelar. En otras palabras, es posible evitar que la envoltura de agua unida sobre la superficie del objeto a congelar se arranque, lo que ocurriría si la frecuencia fuera demasiado alta, tal como en el intervalo ultra-
sónico.

Además, como la velocidad del viento del aire frío está en el intervalo de 1 a 5 m/s, la transmisión de calor se conseguirá por convección. De esta manera será posible acelerar la velocidad de refrigeración, impidiendo que la envoltura de agua unida sobre la superficie del objeto a congelar se evapore, y evitar que ocurra la oxidación sobre la superficie del objeto a congelar. Es decir, si la velocidad del viento es demasiado lenta, la transmisión de calor entre el aire frío y el objeto a congelar será demasiado pequeña, haciendo imposible disminuir la temperatura suficientemente rápido para la congelación; pero como la velocidad del viento es 1 m/s o mayor, dicho problema puede evitarse al máximo. Por otro lado, si la velocidad del viento está por encima de 5 m/s, la envoltura de agua se evaporará y la superficie del objeto a congelar se expondrá, provocando la oxidación de la superficie; pero como la velocidad es de 5 m/s o menor, este problema puede evitarse también.

Adicionalmente, en el procedimiento de congelación super-rápida de acuerdo con un aspecto de la presente invención, puede aplicarse un campo eléctrico al objeto a congelar. De acuerdo con esta configuración, el campo eléctrico provocará que los electrones que se dan a las moléculas de agua y moléculas de oxígeno dentro del depósito de depósito de congelación, y éstas se convierten respectivamente en agua transmitida por electrones (H_{2}Oe) y anión superóxido (O_{2}^{-}). El agua transmitida por electrones y el anión superóxido producen radicales tales como radicales hidroxi, y la membrana celular de microbios tales como bacteria puede ser destruida por estos radicales hidroxi. De esta manera, aplicando un campo eléctrico durante la congelación, es posible reducir extremadamente el número de bacterias vivas, e impedir la putrefacción de los objetos a congelar.

Un aparato de congelación super-rápida de acuerdo con otro aspecto de la presente invención comprende un depósito de depósito de congelación que puede refrigerar la temperatura interna que rodea al objeto a congelar de -30ºC a -100ºC; y un medio que genera un campo magnético para aplicar un campo magnético unidireccional al objeto a congelar puesto en el depósito de depósito de congelación.

El medio que genera un campo magnético puede ser un medio que genera un campo magnético fluctuante que es capaz de aplicar un campo magnético fluctuante en el que la intensidad del campo magnético unidireccional fluctúa alrededor de una referencia, que es un valor fijado arbitrario, en ambas direcciones positiva y negativa dentro de un intervalo predeterminado. El medio que genera un campo magnético fluctuante puede estar compuesto por un medio que genera un campo magnético estático capaz de aplicar un campo magnético estático que tiene una intensidad del valor fijado arbitrario, y un medio que genera un campo magnético dinámico capaz de aplicar un campo magnético que fluctúa dentro del intervalo predeterminado. De acuerdo con esta configuración, como el medio que genera un campo magnético fluctuante está compuesto por diferentes medios que generan un campo magnético estático y medios que generan un campo magnético dinámico, el medio que genera un campo magnético puede seleccionarse más libremente.

El aparato de congelación super-rápida de acuerdo con el aspecto anterior puede estar provisto con un medio de ventilación capaz de ventilar aire frío dentro del depósito de congelación hacia el objeto a congelar a una velocidad del viento de 1 a 5 m/s, y un medio de generación de onda de sonido capaz de superponer una onda de sonido dentro del intervalo de la audio-frecuencia sobre el viento frío ventilado por el medio de ventilación. Además, el aparato de congelación super-rápida puede comprender un medio de generación de un campo eléctrico capaz de aplicar un campo eléctrico al objeto a congelar. El medio de generación de un campo eléctrico puede comprender al menos un par de electrodos que están dispuestos para oponerse entre sí a través del objeto a congelar situado dentro del depósito de congelación, y un generador de potencial capaz de aplicar un potencial entre los electrodos.

El depósito de congelación puede tener paredes de la cámara de congelación que definen un espacio de cámara, un medio de absorción de rayos del infrarrojo lejano que está dispuesto sobre la superficie de la pared interna de las paredes de la cámara de congelación, y aislantes de calor que rodean las paredes de la cámara de congelación. De acuerdo con esta configuración, el medio de absorción de rayos del infrarrojo lejano absorberá el calor radiante del objeto a congelar, y de esta manera, la velocidad de refrigeración puede acelerarse. También, los aislantes de calor contribuyen a mantener la temperatura de la cámara, y de esta manera, se mejora la eficacia de refrigeración. Además, como para el medio que genera un campo magnético estático, es posible usar imanes permanentes que se proporcionan sobre las superficies de la pared externa de las paredes de la cámara de congelación y que generan un campo magnético estático dentro de la cámara. Como para el medio que genera un campo magnético dinámico, es posible proporcionar bobinas electromagnéticas que se disponen fuera de y laterales respecto a las paredes de la cámara de congelación y que generan un campo magnético, que fluctúa hacia atrás y hacia adelante contra el campo magnético estático, dentro de la cámara. De acuerdo con esta configuración, como se usan imanes permanentes como el medio que genera un campo magnético estático, es posible reducir la capacidad de la bobina electromagnética que genera el campo magnético fluctuante, disminuir el coste global del aparato de congelación super-rápida, y reducir también el consumo de energía. También, proporcionando las bobinas electromagnéticas fuera de las paredes de la cámara de congelación, es posible evitar la inhibición de la refrigeración dentro de la cámara, que de lo contrario estaría provocada por el calentamiento de las bobinas electromagnéticas.

Breve descripción de los dibujos

La Figura 1 es una vista frontal que muestra una realización de un aparato de congelación super-rápida de acuerdo con la presente invención;

La Figura 2 es una vista esquemática que muestra una realización central de un depósito de congelación;

La Figura 3 es una representación gráfica que compara la velocidad de refrigeración de un aparato de congelación super-rápida de acuerdo con la presente invención y un aparato de congelación rápida convencional; y

La Figura 4 es una vista esquemática de una realización central de una realización modificada de un aparato de congelación super-rápida de acuerdo con la presente invención.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Una realización preferida de la presente invención se describirá con detalle a continuación con referencia a los dibujos adjuntos. La Figura 1 es una vista frontal que muestra una realización de un aparato de congelación super-rápida de acuerdo con la presente invención, y la Figura 2 es una vista esquemática de una realización central de un depósito de congelación. La Figura 3 es una representación gráfica que compara la velocidad de refrigeración de un aparato de congelación super-rápida de acuerdo con la presente invención y un aparato de congelación rápida convencional.

Como puede observarse a partir de la Figura 1 y la Figura 2, el aparato de congelación super-rápida 1 de la presente realización comprende un depósito de congelación 11 capaz de producir una temperatura interna de -30ºC a -100ºC; un generador de campo magnético fluctuante 21, como un medio que genera un campo magnético fluctuante, que aplica un campo magnético fluctuante a la parte central de una cámara del depósito de congelación 11, en el que el campo magnético fluctuante fluctúa 5 Gs en ambas direcciones positiva y negativa alrededor de un valor de referencia de 100 Gs tomado como un valor fijado arbitrario; los ventiladores 31, como un medio de ventilación, que hacen circular aire frío en el depósito de congelación 11 a una velocidad del viento de 1 a 5 m/s; un generador de onda de sonido 41, como un medio de generación de onda de sonido, que superpone una onda de sonido sobre el aire frío que hace circular el ventilador 31, estando la onda de sonido a un nivel de presión de 2 Pa y en el intervalo de la audio-frecuencia, y que tiene una energía de 10^{-2} W/m^{2}; y un generador de campo eléctrico 51, como un medio de generación de un campo eléctrico, que aplica un campo eléctrico que varía entre 100 a 1000 kV/m a la parte central de la cámara del depósito de congelación 11.

El depósito de congelación 11 está compuesto por un cuerpo cerrado herméticamente 13 que es un sólido con forma sustancialmente rectangular y que tiene una puerta de apertura/cierre 13c, y un congelador 17 para la refrigeración del cuerpo 13.

El congelador 17 adopta un ciclo de refrigeración general en el que un compresor 17a, un condensador 17b, un tubo capilar (válvula de expansión) 17c, y evaporadores (vaporizador) 17d están conectados circularmente juntos, en el que se hace circular un refrigerante a su través. Los evaporadores 17d, que generan aire frío, y el tubo capilar 17c se ponen dentro de una cámara del cuerpo 13, mientras que el compresor 17a y el condensador 17b se ponen fuera de la cámara.

El cuerpo 13 tiene una estructura de doble pared que comprende paredes de congelación de la cámara 13a que definen el espacio interno de la cámara con unas dimensiones de 1,0 m de longitud x 1,5 m de altura x 0,8 m de ancho, y paredes externas 13b que rodean las paredes de la cámara a una cierta distancia para definir una parte externa. Los aisladores de calor, que no se muestran, están dispuestos entre las paredes externas 13b y las paredes de congelación de la cámara 13a, y toda la superficie interna de las paredes de congelación de la cámara se recubren con un material absorbente de rayos del infrarrojo lejano, que no se muestra, para potenciar la eficacia de refrigeración dentro de la cámara. En la presente realización, se usan placas de aluminio como paredes de congelación de la cámara 13a, y toda la superficie interna de la misma se recubre con un cerámico que tiene una absorbancia de rayos del infrarrojo lejano del 95%. Sin embargo, es posible unir placas que absorben rayos del infrarrojo lejano sobre la superficie interna de las paredes.

Localizada sustancialmente en el centro de la cámara hay una rejilla 19 sobre la que se pone el objeto a congelar, tal como ingredientes alimentarios/productos alimentarios. La rejilla 19 está compuesta por un marco enrejado 19a en el que las estructuras porticadas con forma sustancialmente de U situadas de forma opuesta en las posiciones frontal y trasera se conectan juntas mediante miembros de tipo varilla tales como hierros en escuadra; y los recipientes 19b que están soportados mediante miembros de engranaje 19c fijados sobre el marco 19a a intervalos apropiados en la dirección de la altura. Los objetos a congelar 3 deben ponerse en estos recipientes 19b. Los recipientes 19b se engranan de forma desmontable sobre los miembros de engranaje 19c para formar una pluralidad de estantes removibles/adaptables en el marco 19a.

En la figura, los evaporadores 17d descritos anteriormente se disponen en el lado derecho de la rejilla 19. El evaporador 17d se forma plegando varias veces una tubería de cobre, y la cámara se enfría mediante el calor latente de evaporación del refrigerante que se hace circular a su través. Es decir, los evaporadores 17d generan el aire frío dentro de la cámara, y están conectados cíclicamente al compresor 17a y al condensador 17b mencionados anteriormente que se sitúan fuera de la cámara, y al tubo capilar 17c mediante tuberías constituyendo un ciclo de refrigeración capaz de producir una temperatura interna de la cámara de -30ºC a -100ºC.

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Los ventiladores 31, como un medio de ventilación, se disponen entre los evaporadores 17d y la rejilla 19 para hacer circular el aire frío dentro de la cámara. Los ventiladores 31 ventilan el aire frío enfriado por los evaporadores 17d horizontalmente hacia los objetos a congelar 3 puestos sobre la rejilla 19, mediante aletas 31a que se hacen girar mediante motores o similares. Para ventilar el viento frío hacia los objetos a congelar 3 a una velocidad uniforme, se dispone una pluralidad de ventiladores 31 a intervalos apropiados en ambas direcciones de altura y longitud. Es posible ajustar la velocidad del viento de manera que la velocidad en el lugar de los objetos a congelar 3 está en el intervalo
de 1 a 5 m/s. Esta velocidad del viento se determina fundamentalmente de acuerdo con el tipo de objeto a congelar.

Como la velocidad del viento del aire frío está en el intervalo de 1 a 5 m/s, la transmisión de calor se realizará por convección. De esta manera, será posible acelerar la velocidad de refrigeración, impedir que la envoltura de agua unida sobre la superficie del objeto a congelar se evapore, y evitar la aparición de oxidación sobre la superficie del objeto a congelar. Es decir, si la velocidad del viento es demasiado lenta, la transmisión de calor por convección no será efectiva, y la transmisión de calor entre el aire frío y el objeto a congelar será demasiado pequeña, haciendo imposible realizar una congelación rápida; pero como la velocidad del viento es de 1 m/s o mayor, dichos problemas pueden evitarse al máximo. Por otro lado, si la velocidad del viento está por encima de 5 m/s, la envoltura de agua unida se evaporará y la superficie del objeto a congelar se expondrá, provocando la oxidación de la superficie; pero como la velocidad es 5 m/s o menor, este problema puede evitarse también.

El propio aire frío se calienta mientras enfría el objeto a congelar 3. De esta manera, se forma una trayectoria de circulación de manera que después de entrar en contacto con el objeto a congelar 3, el aire asciende a lo largo de la superficie de la pared de congelación de la cámara en el otro lado, se transfiere a lo largo de la superficie del techo y a lo largo de la superficie de la pared de congelación de la cámara detrás de los congeladores 17, y se devuelve a los evaporadores 17d.

El generador de onda de sonido 41 se dispone por debajo de la superficie del techo que es una parte de la trayectoria de circulación anterior. Este generador de onda de sonido 41 es un dispositivo que genera ondas de sonido provocando la vibración del aire mediante la vibración de una bobina electromagnética (no mostrada) conectada a una fuente de energía alterna comercial de 50 o 60 Hz. La onda de sonido es un sonido de baja frecuencia en el ancho de banda de audio-frecuencia y es de 50/60 Hz igual que el periodo de la fuente de energía alterna comercial, y armónicos múltiplos de entero. Las ondas de sonido se superponen sobre el aire frío que se ha hecho circular y se ponen en contacto con el objeto a congelar 3. Las ondas de sonido provocan un ligero cambio en la presión del aire para de esta manera agitar una capa límite de aire que se forma alrededor de la superficie del objeto a congelar 3 o sobre la superficie del recipiente 19b sobre el que se pone el objeto a congelar 3 y que inhibe la transmisión de calor. Por lo tanto, se mejora la transmisión de calor.

Debido al uso de ondas de sonido en el intervalo de la audio-frecuencia, es posible evitar la aparición de oxidación sobre la superficie del objeto a congelar 3 sin provocar la destrucción de la envoltura de agua unida formada sobre la superficie del objeto a congelar 3. Es decir, es posible evitar que la envoltura de agua unida sobre la superficie del objeto a congelar 3 se desprenda, lo que ocurriría si la frecuencia fuera demasiado alta, tal como en el intervalo ultrasónico.

Además, como para la onda de sonido, es deseable aplicar un intervalo de 2 x 10^{-4} Pa en el nivel de presión del sonido con una energía de 10^{-10} W/m^{2} a 60 Pa en el nivel de presión del sonido con una energía de 10 W/m^{2}. Mantener el nivel en este intervalo permitirá la prevención del desprendimiento de la envoltura de agua unida, la prevención de la emisión de ruido, y la agitación eficaz de la capa límite de aire.

El generador de campo eléctrico 51 comprende placas de electrodo que se disponen por encima de cada recipiente 19b de la rejilla 19; una placa de electrodo dispuesta por debajo del recipiente más inferior 19b; un generador de potencial de corriente alterna de alto voltaje 51c que está conectado a cada una de las otras placas de electrodo para aplicar un potencial alterno de alto voltaje, es decir, un potencial de corriente alterna de alto voltaje; y una conexión a tierra 51d conectada a los recipientes de electrodo que no están conectados al generador de potencial de corriente alterna de alto voltaje 51c. Los electrodos están agrupados principalmente en primeras placas de electrodo 51 a las que se aplica un potencial de corriente alterna de alto voltaje mediante el generador de potencial de corriente alterna de alto voltaje 51c, y segundas placas de electrodo 51b que están conectadas a tierra mediante la conexión a tierra 51d, disponiéndose ambas alternativamente en la dirección vertical. Cuando se aplica un potencial de corriente alterna de alto voltaje a las primeras placas de electrodo, se genera un campo eléctrico en los espacios que existen entre cada primera placa de electrodo y las segundas placas de electrodo opuestas a cada primera placa de electrodo desde sus lados superior e inferior, en el que la dirección del campo eléctrico se invierte periódicamente. El campo eléctrico se aplica en la dirección vertical contra los objetos a congelar 3 puestos sobre los recipientes 19b localizados en cada uno de estos espacios. Aquí, como la primera y segunda placas de electrodo se disponen alternativamente, la dirección del campo eléctrico aplicado a los objetos a congelar 3 se dirige en la dirección invertida para cada estante verticalmente adyacente, como se indica mediante las líneas discontinuas en la Figura 2. (Como se aplica un potencial de corriente alterna de alto voltaje a las primeras placas de electrodo, la dirección del campo eléctrico indicada por las líneas discontinuas se invierte periódicamente). Las primeras placas de electrodo 51a se fijan al marco 19a con aislantes eléctricos no mostrados dispuestos entre las mismas. De esta manera, aparte del generador de potencial de corriente alterna de alto voltaje 51c, las placas de electrodo 51a están completamente aisladas. Las segundas placas de electrodo 51b están fijadas también al marco 19a con aislantes eléctricos no mostrados dispuestos entre ellas. De esta manera, aparte de la conexión a tierra 51d, están completamente aisladas.

La intensidad del campo eléctrico se determina mediante el potencial de corriente alterna de alto voltaje aplicado a las primeras placas de electrodo 51a y la distancia entre los electrodos 51a y los recipientes 19b, y tiene que ajustarse cambiando el potencial de corriente alterna de alto voltaje de acuerdo con el objeto a congelar 3, y tiene que ajustarse en el intervalo de 100 a 1000 kV/m. El potencial de corriente alterna de alto voltaje se ajusta de manera que fluctúa de forma sinusoidal con el tiempo.

Cuando el campo eléctrico se aplica dentro del depósito de congelación, se dan electrones a las moléculas de agua y las moléculas de oxígeno dentro del depósito de congelación, y éstas se convierten respectivamente en agua transmitida por electrones (H_{2}Oe) y anión superóxido (O_{2}^{-}). El agua transmitida por electrones y el anión superóxido producen radicales tales como radicales hidroxi, y las membranas celulares de microbios tales como bacterias pueden ser destruidas por estos radicales hidroxi. De esta manera, aplicando un campo eléctrico durante la congelación, es posible obtener un efecto bacteriostático, evitar la putrefacción de los objetos a congelar 3, y mejorar la calidad. Aunque las células sobre la superficie del objeto a congelar 3 son destruidas también por los radicales hidroxi, esta cantidad está a un nivel insignificante, considerando el número global de células del objeto a congelar.

El campo eléctrico debe estar en el intervalo de 100 a 1000 kV/m porque si es menor de 100 kV/m, el número de radicales hidroxi producidos será demasiado pequeño y el efecto bacteriostático se debilitará, y si está por encima de 1000 kV/m, hay tendencia a una descarga eléctrica. Prácticamente, es apropiado que el intervalo sea de 2 kV/m a
60 kV/m.

El generador de campo magnético fluctuante 21 comprende un generador de campo magnético estático 21a que aplica un campo magnético estático en la parte central de la cámara del depósito de congelación 11; y un generador de campo magnético dinámico 21b que aplica un campo magnético fluctuante en la parte central de la cámara, en el que el campo magnético fluctúa en ambas direcciones positiva y negativa alrededor del campo magnético estático con una amplitud que supone el 5% de la intensidad del campo magnético estático. El generador de campo magnético estático 21a es un imán permanente 21a que está hecho de una placa de ferrita que tiene una intensidad de 1500 Gs y está formado con una tira rectangular de 1,0 m x 0,1 m x 0,05 m. Una de las longitudes tiene una polaridad del N-polo, y la otra longitud tiene una polaridad del S-polo. Una pluralidad de imanes permanentes 21a se dispone a los intervalos apropiados sobre la superficie externa de una pared lateral de las paredes de congelación de la cámara 13a con el lado del N-polo orientado hacia arriba. Los imanes se disponen sobre las superficies externas de las otras tres paredes laterales de manera que la polaridad se dirige en la misma dirección. De esta manera, se aplica un campo magnético vertical estático a los objetos a congelar 3 puestos sobre la rejilla 19 que se pone en la parte central de la cámara. En la presente realización, el campo magnético estático en la parte central de la cámara se ajusta para que sea de 100 Gs mediante los imanes permanentes 21a que tienen una intensidad de 1500 Gs. Sin embargo, la intensidad del campo magnético estático puede cambiarse seleccionando apropiadamente los imanes permanentes. El efecto mencionado anteriormente ocasionado por un campo magnético puede obtenerse si la intensidad es mayor que el magnetismo terrestre (0,3 Gs a 0,5 Gs), y de esta manera, el campo magnético puede ser de cualquier intensidad si es de 1 Gs o mayor. Por lo tanto, considerando los límites de fabricación de los imanes permanentes, es preferible ajustar la intensidad de los imanes permanentes para que esté en el intervalo de 1 a 20000 Gs.

El generador de campo magnético dinámico es una bobina electromagnética 21b que genera un campo magnético cuando se suministra una corriente eléctrica, y dos de ellas están provistas fuera de y laterales respecto a las paredes de congelación de la cámara 13a, estando la cámara de congelación localizada entre ellas. El eje de las bobinas electromagnéticas 21b se dispone en la dirección vertical. Cuando una corriente alterna que tiene una frecuencia específica corre a través de la bobina electromagnética 21b, un campo magnético, que tiene la frecuencia anterior y que fluctúa hacia atrás y hacia adelante periódicamente y sinusoidalmente, se aplica en la parte central de la cámara en paralelo al campo magnético estático mencionado anteriormente. El campo magnético estático y el campo magnético fluctuante, es decir, el campo magnético dinámico, se superponen entre sí, y se aplica un campo magnético fluctuante a la parte central de la cámara.

Por ejemplo, en la presente realización, una corriente alterna tomada de una corriente alterna comercial 22 de 50/60 Hz se hace fluir a través de las bobinas electromagnéticas 21b para generar un campo magnético dinámico que fluctúa \pm5 Gs, que es un 5% de la intensidad del campo magnético estático. Este campo magnético dinámico se superpone sobre el campo magnético estático que tiene una intensidad de 100 Gs, y un campo magnético fluctuante que fluctúa sinusoidalmente en el intervalo de 95 a 105 Gs con una frecuencia de 50/60 Hz se aplica a la parte central de la cámara.

El intervalo en el que el campo magnético fluctúa se ajusta para que esté en un intervalo en el que la amplitud supone el 5% de la intensidad del campo magnético estático, es decir, un intervalo del 5% en ambas direcciones positiva y negativa, tomando la intensidad del campo magnético estático como un valor de referencia; aunque es más favorable si la amplitud es mayor. Sin embargo, considerando el consumo de energía de la bobina electromagnética, es práctico que la amplitud esté en un intervalo de 1 Gs a 100 Gs.

Una explicación del efecto de un campo magnético se realizará posteriormente en este documento.

Cuando el campo magnético se aplica al objeto a congelar 3 durante la refrigeración, el momento magnético, que está provocado por el espín electrónico o el espín nuclear de las moléculas que constituyen el objeto a congelar 3 y de las moléculas de agua libre contenidas en su interior, se alinea en una dirección por el campo magnético. De esta manera el frío se transmite a la parte interna del objeto a congelar 3 rápidamente. Es decir, la diferencia entre la temperatura interna y externa dentro del objeto a congelar 3 que ocurre durante la refrigeración, es decir la no uniformidad en la refrigeración, se reduce considerablemente para obtener una refrigeración rápida incluso en la parte interna. También, como la congelación no empieza desde la superficie externa, no se formará una capa congelada externa que inhibe la transmisión de calor, y de esta manera, puede obtenerse una transmisión de frío eficaz a la parte interna del objeto, dando como resultado una aceleración considerable de la velocidad de refrigeración de la parte interna. Como resultado, la congelación se realiza uniforme y simultáneamente por todo el objeto a congelar 3, y el periodo de tiempo en el que se inicia y termina la congelación puede reducirse a un tiempo extremadamente corto.

Cuando la refrigeración se realiza mientras se aplica un campo magnético al objeto a congelar 3, el agua libre dentro del objeto a congelar 3 se llevará a un estado super-refrigerado. (Aquí, como se describirá posteriormente, como las agrupaciones de agua libre se hacen pequeñas por el campo magnético y se forma la estructura de hidratación promoviendo la reacción de hidratación de las agrupaciones al sustrato de los alimentos, la cantidad de agua libre dentro del objeto a congelar se reduce, y la super-refrigeración se promueve adicionalmente). Una refrigeración adicional iniciará el comienzo de la congelación, pero como una cantidad de calor equivalente al calor latente de formación de hielo ya se ha restado, la congelación transcurrirá rápidamente, y por consiguiente, la temperatura del objeto a congelar 3 caerá rápidamente.

Como resultado, los dos efectos anteriores juntos contribuyen a reducir el periodo de tiempo en el que se inicia y termina la congelación del agua libre en un tiempo extremadamente corto, es decir, contribuye a que la temperatura caiga suficientemente rápido para pasar a través del intervalo de temperatura de 0 a -20ºC en el que los cristales de hielo pueden crecer. Por lo tanto, se impide que los cristales de hielo del agua libre crezcan demasiado y se crean cristales de hielo finos. Como los cristales de hielo son tan pequeños, es posible evitar la destrucción de la estructura celular del objeto a congelar 3 durante la congelación, impidiendo que ocurra goteo después de descongelar, y conservar el frescor en un alto grado.

En general, las agrupaciones de agua forman un enlace de hidrógeno con grupos polares que están orientados hacia fuera de la superficie externa de la estructura terciaria de las proteínas que constituyen el objeto a congelar 3, y se convierten en agua unida. Sin embargo, la aplicación de un campo magnético provoca que las agrupaciones de agua, que son agregados de moléculas de agua libre, se dividan en grupos más pequeños. De esta manera, las agrupaciones pequeñas se unen de forma compacta y uniforme a la superficie externa de la estructura terciaria para formar un recubrimiento de tipo envoltura. Es decir, las agrupaciones pequeñas se unen a toda la superficie externa de una manera de capa monomolecular uniforme para formar una envoltura de agua unida. Por lo tanto, la envoltura de agua unida evita que la estructura terciaria, es decir el objeto a congelar 3, se oxide, y puede conservar el frescor en un alto grado.

Como el agua unida está sujeta fuertemente a la estructura terciaria, su punto de congelación se disminuye para que esté en el intervalo de -10 a -100ºC. De esta manera, generalmente, el agua unida no está sometida a congelación. Formando agrupaciones pequeñas, el agua libre se une minuciosamente a la superficie externa de la estructura terciaria, y de esta manera, la mayor parte del agua libre se convierte en agua unida. Por lo tanto, la cantidad absoluta de agua libre se reduce, y se hace posible impedir indirectamente que los cristales de agua libre de crezcan demasiado.

Además, haciendo fluctuar el campo magnético, es posible reducir la reacción contra la acción del campo magnético estático, es decir reducir el efecto contrario para el campo estático, permitir que las funciones conferidas por la aplicación del campo magnético funcionen eficazmente, y mejorar considerablemente los efectos ocasionados por el campo magnético.

Adicionalmente, como el campo magnético se hace fluctuar, el flujo magnético cambia y ocurre una inducción electromagnética dentro del objeto a congelar. De esta manera, la fuerza electromotriz inducida provocada por la inducción electromagnética genera electrones libres dentro del objeto. El propio objeto a congelar se reduce mediante estos electrones libres y se evita que se oxide. Además, los electrones libres se dan a las moléculas de agua y moléculas de oxígeno dentro del depósito de congelación, y éstas se convierten respectivamente en agua transmitida por electrones (H_{2}Oe) y anión superóxido (O_{2}^{-}). El agua transmitida por electrones y el anión superóxido producen radicales tales como radicales hidroxi, y las membranas celulares de microbios tales como bacterias pueden ser destruidas por estos radicales hidroxi. Por lo tanto, es posible limitar el número de bacterias vivas.

A continuación se describen los resultados de los ensayos que comparan las características de congelación del aparato de congelación super-rápida descrito anteriormente de acuerdo con la presente realización y los de un congelador rápido convencional.

Para examinar la diferencia entre los aparatos, se realizó un ensayo poniendo el mismo objeto a congelar en cada aparato de congelación rápida, empleando el mismo patrón de refrigeración para la temperatura de la cámara, y refrigeración y congelación los objetos a congelar a una temperatura diana (-50ºC). Durante el periodo anterior, se estimó el cambio en la temperatura del núcleo de cada objeto a congelar. Los objetos se almacenaron después durante 4 meses a -50ºC, y se estimó también la calidad de cada objeto a congelar después de descongelar.

Las condiciones de ensayo se muestran en la Tabla 1. Los resultados del ensayo respecto a velocidad de refrigeración durante el procedimiento de congelación se muestran en la Figura 3, mientras que los resultados del ensayo respecto a calidad de cada objeto a congelar después de descongelar se muestran en la Tabla 2 y Tabla 3.

TABLA 1

1

Como puede observarse en la Figura 3, se emplea el mismo patrón de refrigeración para las temperaturas de la cámara de los depósitos de congelación de ambos aparato de congelación super-rápida de la presente invención y el aparato de congelación convencional. La temperatura de la cámara se ajusta a -40ºC al comienzo del procedimiento de congelación, y se disminuye a una velocidad de refrigeración de 1ºC/s durante los primeros 20 minutos, y después de 20 minutos, la temperatura de la cámara se mantiene a -60ºC.

Puede apreciarse observando la temperatura de los núcleos de los objetos a congelar que las curvas de refrigeración para ambos aparato convencional y el de la presente invención varía entre 10ºC, que es la temperatura al comienzo de la congelación, y -2ºC tiene exactamente la misma forma, describiendo una curva suave con una disminución gradual de la temperatura. Sin embargo, después de 45 minutos desde el comienzo de la congelación cuando la temperatura alcanza los -2ºC, la temperatura del núcleo del objeto a congelar puesto en el aparato de congelación super-rápida de la presente invención cae repentinamente, y alcanza los -20ºC a los 58 minutos. Es decir, sólo se necesita un corto periodo de tiempo, es decir 13 minutos, para pasar el intervalo de temperatura en el que se inicia y termina la congelación, es decir, el intervalo de temperatura de 0 a -20ºC en el que el hielo del agua libre crece en cristales voluminosos tras la congelación. La temperatura del núcleo del objeto a congelar alcanza la temperatura diana de -50ºC en los siguientes 15 minutos, es decir, a los 70 minutos desde el comienzo de la congelación. Por el contrario, aunque no se muestra en la figura, en el aparato de congelación rápida convencional, no podría alcanzarse la temperatura diana de -50ºC incluso después de 180 minutos desde el comienzo de la congelación.

La calidad de diversos alimentos perecederos y el número de bacterias vivas, después de almacenar por congelación los objetos a congelar durante 4 meses a -50ºC y descongelar el objeto, se muestran en la Tabla 2. Puede observarse que, aunque los objetos en el aparato de congelación rápida convencional muestran tanto goteo como decoloración y también emiten olor muy desagradable, los objetos almacenados en el aparato de congelación super-rápida de la presente invención no muestran señales de dichos inconvenientes, y el frescor de los objetos puede conservarse a un alto grado que es comparable con el del comienzo de la congelación. Además, en el aparato convencional, el número de bacterias vivas no disminuye; pero en el aparato de la presente invención, el número de reduce notablemente, y en particular, se extermina E. coli.

TABLA 2

2

A partir de lo anterior se entiende que, de acuerdo con la presente invención, es posible mantener los objetos a congelar en un estado fresco y bueno evitando que se destruyan las células de los objetos, impidiendo la oxidación, y exterminando bacterias vivas y evitando la putrefacción. Se ha confirmado que las ventajas anteriores pueden obtenerse también cuando se emplean condiciones no mostradas en la Tabla 1, en la medida en que están dentro del alcance de la presente invención.

Para referencia, se realizó el mismo ensayo de la misma manera para otros ingredientes alimentarios tales como zumos, cuyos resultados se muestran en la Tabla 3. Se obtuvo un resultado excelente; los zumos y vinos no se separaron en sus componentes agua y zumo después congelar y descongelar, y las naranjas y pasteles no mostraron cambio de apariencia, forma o sabor. Como para los zumos y vinos, esto se debe a que se forma una envoltura de agua unida minuciosamente alrededor de la superficie externa de las estructuras terciarias de los componentes de los zumos y vinos, permitiendo una hidratación fácil de las estructuras terciarias con el agua circundante. Como para naranjas y pasteles, los resultados anteriores se obtienen porque la envoltura de agua unida formada alrededor de la superficie externa de las estructuras terciarias evita la oxidación, y el agua unida se convierte en agua libre después de descongelar y se dispersa en el mismo estado en el que se usa antes de la congelación, es decir se dispersa uniformemente dentro de las naranjas y pasteles.

TABLA 3

3

La Figura 4 es una realización central de un aparato de congelación super-rápida que es una realización modificada de la realización descrita anteriormente.

Esta realización modificada es una en la que se cambian la dirección y disposición de la bobina electromagnética, adoptada como generador de campo magnético dinámico en la realización mencionada anteriormente. Como la estructura es generalmente la misma que la de la realización mencionada anteriormente, se usan los mismos caracteres de referencia para los mismos miembros, y sólo se explicarán las diferencias.

Como se muestra en la figura, se proporciona una bobina electromagnética 21c en el lado externo de la pared superior de las paredes de congelación de la cámara 13a. La bobina electromagnética 21c se dispone de manera que su eje se dirige en la dirección horizontal. Cuando se hace fluir una corriente alterna que tiene una frecuencia constante, un campo magnético fluctuante, que es vertical respecto al campo magnético estático, es decir, en la dirección horizontal y que periódicamente fluctúa en una dirección hacia atrás y hacia delante de una manera sinusoidal, se aplica al centro del depósito. Es decir, en el centro del depósito, el campo magnético estático y el campo magnético dinámico, que está en la dirección vertical del campo magnético estático y es el campo magnético fluctuante, se aplican de manera superpuesta.

De acuerdo con esta realización modificada, aunque el momento magnético del espín electrónico o el espín nuclear de las moléculas de agua libre en el objeto a congelar se dirige en una dirección por el campo magnético estático, la dirección del momento magnético se cambia periódicamente y vibra mediante el campo magnético dinámico ortogonal al campo magnético estático. Además, se genera un campo eléctrico fluctuante mediante la inducción electromagnética provocada por el campo magnético dinámico, y el dipolo eléctrico de la molécula de agua se hace vibrar mediante el campo eléctrico fluctuante. Además, particularmente, como el enlace de hidrógeno que funciona entre las moléculas de agua se hace vibrar y la fijación del enlace de hidrógeno se impide, el estado de super-refrigeración mencionado anteriormente ocurre fácilmente.

En la realización modificada, un campo magnético dinámico en la dirección horizontal se aplica a un campo magnético estático en la dirección vertical. Sin embargo, aplicando un campo magnético dinámico en una dirección diferente de la del campo magnético estático, puede obtenerse el efecto mencionado anteriormente de aumentar la vibración de la molécula de agua. De esta manera, la dirección del campo magnético dinámico no tiene que estar en la dirección vertical del campo magnético estático. Es decir, será apropiado si un campo magnético fluctuante, que fluctúa en las direcciones positiva y negativa a una intensidad predeterminada en una dirección diferente de la de un campo magnético unidireccional, se aplica al objeto a congelar.

Lo anterior es una explicación de una realización de la presente invención, y de esta manera, la presente invención no se limita a la realización anterior, y pueden hacerse diversas modificaciones siempre y cuando no se alejen del alcance de las reivindicaciones.

(a) En la realización anterior, aunque la capa límite de aire se agitó superponiendo ondas de sonido al viento frío ventilado por los ventiladores 31, puede provocarse una variación pulsátil en la presión del aire mediante las vibraciones de las aletas 31a de los ventiladores 31, teniendo dicha variación ventajas similares a las ocasionadas por las ondas de sonido. De esta manera, en lugar de amortiguar las vibraciones de las aletas 31a, es posible usarlas ventajosamente. Además, la onda de sonido se genera por la vibración de la bobina electromagnética como el medio que genera un campo magnético dinámico. Aunque dicha onda de sonido está en un intervalo de baja frecuencia que tiene un periodo de 50/60 Hz igual que la fuente de energía alterna comercial, y sus armónicos múltiplos de entero, es posible usar ventajosamente dicha onda de sonido. Sin embargo, es deseable que el nivel de presión del sonido y la energía de la onda de sonido estén dentro del intervalo mencionado anteriormente.

(b) Aunque se aplicó un campo eléctrico en la dirección vertical disponiendo pares de placas de electrodo 51a, 51b opuestas y verticalmente entre sí en la realización anterior, no está limitado a esta configuración mientras se aplique un campo eléctrico con una intensidad de 100 a 1000 kV/m al objeto a congelar. Es posible disponer de forma opuesta un par de placas de electrodo en la dirección lateral y aplicar un campo eléctrico al objeto a congelar 3 en la dirección horizontal.

Además, en la realización anterior, se usó un generador de potencial de corriente alterna de alto voltaje como aparato de generación de potencial para aplicar un potencial de corriente alterna de alto voltaje que fluctúa periódicamente de una manera sinusoidal frente al tiempo. Sin embargo, no está limitado a esta configuración, y el potencial eléctrico podría cambiarse periódicamente de manera escalonada; o, un potencial estático, es decir, un potencial eléctrico que no cambia periódicamente podría provocarse usando un generador de potencial de corriente continua de alto voltaje, y puede aplicarse un campo eléctrico constante.

(c) Aunque el campo magnético se aplica en la dirección vertical en la realización anterior, no tiene por qué limitarse a esta configuración si un campo magnético unidireccional se aplica al objeto a congelar 3, y de esta manera puede aplicarse un campo magnético horizontal. Por ejemplo, disponiendo los imanes permanentes 21a sobre las superficies externas de la pared superior e inferior de las paredes de la cámara de congelación 13a, y disponiendo las bobinas electromagnéticas fuera de los imanes permanentes de manera que el eje de las bobinas se alinea en la dirección horizontal, es posible generar un campo magnético en la dirección horizontal.

Además, en la realización anterior, un campo magnético fluctuante, que fluctúa \pm5% en ambas direcciones positiva y negativa alrededor de un valor de referencia que es un valor fijado arbitrario, se obtiene superponiendo un campo magnético dinámico que se genera mediante las bobinas electromagnéticas y que tiene una intensidad dentro del 5% del campo magnético estático sobre el campo magnético estático que se genera mediante los imanes permanentes. Sin embargo, no se limita a este procedimiento. Es posible conseguir una estructura que no usa un imán permanente. Por ejemplo, en lugar de la fuente de energía alterna comercial 22, es posible conectar la bobina electromagnética 21b a una fuente de energía especial que puede pasar una corriente continua con una intensidad para generar un campo magnético que tiene el valor de referencia, y que puede controlar el valor de la corriente continua para que fluctúe periódicamente dentro del intervalo del \pm5%. Adicionalmente, aunque se usó un campo magnético dinámico que fluctúa periódicamente de una manera sinusoidal frente al tiempo como campo magnético fluctuante en la realización anterior, no tiene por qué limitarse a este procedimiento, y en lugar de ello puede usarse un campo magnético dinámico que cambia periódicamente de una manera escalonada.

(d) En la realización anterior, se empleó un compresor 17a, un condensador 17b, un tubo capilar 17c, y evaporadores 17d, todos usados de forma general, para constituir el ciclo de refrigeración del congelador 17. Sin embargo, no tiene por qué limitarse a esta configuración siempre y cuando la temperatura ambiente alrededor del objeto a congelar (la temperatura de la cámara) pueda disminuirse a -30 a -100ºC.

(e) En la realización anterior, la refrigeración se realizó ventilando el aire frío en la cámara hacia y alrededor del objeto a congelar, es decir, se usó un cuerpo gaseoso como refrigerante para la refrigeración del objeto a congelar. Sin embargo, siempre y cuando la temperatura alrededor del objeto a congelar pueda disminuirse a -30 a -100ºC, y si pueden realizarse el procedimiento de pre-congelación descrito anteriormente y el procedimiento de post-tratamiento procedimiento, es posible usar alcoholes tales como metanol y etanol o etilenglicol como refrigerante. Específicamente, esto puede ponerse en práctica poniendo un recipiente lleno con un refrigerante líquido en la parte central de la cámara, y congelar el objeto a congelar sumergiéndolo en el refrigerante líquido mientras se aplica un campo magnético, y también un campo eléctrico si necesario, a la parte central de la cámara.

Aplicabilidad industrial

Como puede observarse a partir de la descripción anterior, de acuerdo con la presente invención, la congelación rápida se realiza disminuyendo la temperatura circundante del objeto a congelar a -30 a -100ºC mientras se aplica un campo magnético unidireccional al objeto. De esta manera, es posible evitar que las células del objeto a congelar se destruyan durante el procedimiento de congelación, y evitar la oxidación mediante la envoltura de agua unida formada sobre la superficie externa de las estructuras terciarias que componen el objeto a congelar. Por lo tanto, es posible obtener el mismo frescor incluso después de descongelar.

Además, como la temperatura circundante se ajusta en el intervalo de -30 a -100ºC, es posible impedir que el coste de ejecución aumente durante el ciclo de refrigeración mientras se evita eficazmente la oxidación de la superficie de los objetos a congelar. También es posible mantener bajo el coste de ejecución incluso durante el almacenamiento por congelación.

De esta manera, es posible conservar el frescor de un objeto a congelar en un alto grado, y suministrar ingredientes y productos alimentarios de alta calidad a los consumidores a bajo coste. También, como es posible congelar las células de la sangre, piel y nerviosas sin dañarlas, es posible congelar órganos usados para transplantes, tales como transplantes biomédicos, sin afectar a sus funciones, y de esta manera, salvar la vida de mucha gente.

Haciendo fluctuar al campo magnético unidireccional, es posible reducir la reacción contra la acción del campo magnético estático, es decir reducir el efecto contrario al campo estático, y permitir que los efectos provocados por la aplicación del campo magnético funcionen más eficazmente. Como los electrones libres se generan dentro del depósito de congelación, puede evitarse la oxidación del objeto, y que radicales tales como los radicales hidroxi se produzcan dentro del objeto a congelar. Como estos radicales hidroxi destruyen las membranas celulares de los microbios tales como bacterias, es posible reducir el número de bacterias vivas. Por lo tanto, es posible evitar la putrefacción del objeto a congelar, mejorar el frescor del mismo, y suministrar ingredientes alimentarios y productos alimentarios de alta calidad a los consumidores.

Además, como las ondas de sonido aceleran adicionalmente la velocidad de refrigeración del objeto a congelar, puede obtenerse la congelación rápida y la destrucción celular puede evitarse con toda certeza. Usando ondas de sonido en el intervalo de la audio-frecuencia, y ajustando la velocidad del viento del aire frío dentro de 1 a 5 m/s, es posible evitar la oxidación del objeto a congelar sin romper la envoltura de agua formada sobre su superficie, mientras se potencia la velocidad de refrigeración.

Adicionalmente, aplicando el campo eléctrico al objeto a congelar, las moléculas de agua y las moléculas de oxígeno que existen en la cámara de congelación se convierten respectivamente en agua transmitida por electrones (H_{2}Oe) y anión superóxido (O_{2}^{-}) que produce radicales tales como radicales hidroxi, y las membranas celulares de microbios tales como bacterias son destruidas por estos radicales hidroxi para de esta manera reducir el número de bacterias vivas. Por lo tanto, es posible evitar la putrefacción de los objetos a congelar y mejorar su frescor, y también suministrar ingredientes alimentarios y productos alimentarios de alta calidad a los consumidores.

Adicionalmente, construyendo por separado el generador de campo magnético estático y el generador de campo magnético dinámico, el medio que genera un campo magnético puede seleccionarse más libremente. Por lo tanto, considerando la efectividad de costes, sería posible usar un medio menos caro para reducir el coste global del aparato de congelación.

Disponiendo el material absorbente de rayos del infrarrojo lejano sobre la superficie interna de las paredes de la cámara de congelación y suministrando aislantes de calor alrededor de la periferia externa de las paredes de la cámara de congelación, es posible mantener la temperatura de la cámara eficazmente y conseguir la reducción en el consumo de energía necesaria para la refrigeración.

Usando imanes permanentes como medio que genera un campo magnético estático, es posible reducir la capacidad de las bobinas electromagnéticas que producen el campo magnético fluctuante, disminuir el coste del aparato de congelación, y reducir también el consumo de energía. También, proporcionando las bobinas electromagnéticas fuera de las paredes de la cámara de congelación, puede evitarse que disminuya la capacidad de refrigeración dentro de la cámara, que de lo contrario estaría provocado por el calentamiento de las bobinas electromagnéticas, y de esta manera, puede reducirse el consumo de energía necesario para la refrigeración.

Claims (11)

1. Un procedimiento de congelación super-rápida que comprende:

una etapa de congelación rápida de refrigeración de la temperatura circundante de un objeto a congelar a -30ºC a -100ºC mientras se aplica un campo magnético unidireccional a dicho objeto a congelar; y

una etapa de refrigeración de dicho objeto a congelar con un viento frío que tiene una velocidad de 1 a 5 m/s mientras se superpone una onda de sonido dentro del intervalo de la audio-frecuencia sobre dicho viento frío.

2. Un procedimiento de congelación super-rápida de acuerdo con la reivindicación 1 en el que la intensidad de dicho campo magnético unidireccional fluctúa alrededor de un valor de referencia fijado arbitrario en ambas direcciones positiva y negativa dentro de un intervalo predeterminado.

3. Un procedimiento de congelación super-rápida de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2 que comprende una etapa de aplicar un campo eléctrico a dicho objeto a congelar.

4. Un aparato de congelación super-rápida que comprende:

un depósito de congelación capaz de disminuir la temperatura interna alrededor de un objeto a congelar almacenado a -30ºC a -100ºC;

un medio que genera un campo magnético para aplicar un campo magnético unidireccional a dicho objeto a congelar puesto en dicho depósito de congelación;

un medio de ventilación para ventilar aire frío dentro de dicho depósito de congelación hacia el objeto a congelar a una velocidad del viento de 1 a 5 m/s; y

un medio de generación de onda de sonido para superponer una onda de sonido dentro del intervalo de la audio-frecuencia sobre dicho viento frío ventilado por dicho medio de ventilación.

5. Un aparato de congelación super-rápida de acuerdo con la reivindicación 4 en el que dicho medio que genera un campo magnético es un medio que genera un campo magnético fluctuante para aplicar un campo magnético fluctuante en el que la intensidad de dicho campo magnético unidireccional fluctúa alrededor de un valor de referencia fijado arbitrario en ambas direcciones positiva y negativa dentro de un intervalo predeterminado.

6. Un aparato de congelación super-rápida de acuerdo con la reivindicación 5 en el que dicho medio que genera un campo magnético fluctuante comprende:

un medio que genera un campo magnético estático para aplicar un campo magnético estático con una intensidad de dicho valor fijado arbitrario; y

un medio que genera un campo magnético dinámico para aplicar el campo magnético fluctuante que fluctúa dentro de dicho intervalo predeterminado.

7. Un aparato de congelación super-rápida de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6, que comprende adicionalmente un medio de generación de un campo eléctrico para aplicar un campo eléctrico a dicho objeto a congelar.

8. Un aparato de congelación super-rápida de acuerdo con la reivindicación 7 en el que dicho medio de generación de un campo eléctrico comprende

al menos un par de electrodos que están dispuestos para oponerse entre sí a través de dicho objeto a congelar puesto dentro de dicho depósito de congelación; y

un medio de generación de potencial para aplicar un potencial eléctrico entre dichos electrodos.

9. Un aparato de congelación super-rápida de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 4 a 8 en el que dicho depósito de congelación comprende adicionalmente

paredes de la cámara de congelación que definen un espacio de cámara;

un medio de absorción de rayos del infrarrojo lejano dispuesto sobre la superficie de la pared interna de dichas paredes de la cámara de congelación; y

un medio aislante de calor provisto alrededor de dichas paredes de la cámara de congelación.

10. Un aparato de congelación super-rápida de acuerdo con la reivindicación 9, en el que

dicho medio que genera un campo magnético estático es un imán permanente que genera un campo magnético estático dentro de la cámara, y está provisto sobre la superficie de la pared externa de dichas paredes de la cámara de congelación; y

dicho medio que genera un campo magnético dinámico es una bobina electromagnética que genera un campo magnético fluctuante que fluctúa hacia atrás y hacia adelante alrededor de dicho campo magnético estático, y se proporciona fuera de y lateral respecto a dichas paredes de la cámara de congelación.

11. Un aparato de congelación super-rápida de acuerdo con la reivindicación 9 o 10 que comprende:

un medio de absorción de rayos del infrarrojo lejano dispuesto sobre la superficie de la pared interna de dichas paredes de la cámara de congelación, y un medio aislante de calor provisto alrededor de dichas paredes de la cámara de congelación,

un medio que genera un campo magnético fluctuante que comprende al menos un imán permanente provisto sobre la pared externa superficie de dichas paredes de la cámara de congelación para generar un campo magnético estático dentro de dicho espacio de la cámara, y al menos una bobina electromagnética provista fuera de y lateral respecto a dichas paredes de la cámara de congelación para generar un campo magnético fluctuante que fluctúa hacia atrás y hacia adelante alrededor de dicho campo magnético estático dentro de dicho espacio de la cámara, aplicando dicho medio que genera un campo magnético fluctuante un campo magnético unidireccional, que se hace fluctuar alrededor de un valor de referencia fijado arbitrario en ambas direcciones positiva y negativa dentro de un intervalo predeterminado, a dicho objeto a congelar dentro de dicho depósito de congelación; y

un medio de generación de un campo eléctrico que comprende al menos un par de electrodos que se dispone para oponerse entre sí a través de dicho objeto a congelar puesto dentro de dicho depósito de congelación, y un medio de generación de potencial para aplicar un potencial eléctrico entre dichos electrodos, aplicando dicho medio de generación de un campo eléctrico un campo eléctrico a dicho objeto a congelar.